06_opunit_destilação_2013

7/28/2019 06_OpUnit_Destilao_2013

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Processo de Desti lao

Conceitos fundamentais, desti lao simples ou

descontnua, desti lao por expanso brusca.

OPERAES UNITRIAS I

Prof. Cssio Lus Fernandes de Ol iveira


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I ntroduo

Operao unitria que permite a separao de misturas de

lquidos em seus componentes puros ou prximos da pureza

Usa da evaporao e condensao dos componentes que se

deseja separar

O agente de separao o calor e/ou a presso,

O vapor formado temcomposiodiferente da misturaor i inal.

DESTI LAO


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I ntroduo

O processo muito uti l izado em toda a indstr ia qumica:

-Na obteno de lcool reti f icado de uma mistura de fermentao,

-Na indstr ia petrolfera para a separao das fraes contidas no

petrleo bruto, como gs combustvel, GLP, nafta, querosene, diesel,

gasleo, leo combustvel.

-

Na indstr ia qumica na separao de solventes usados em extraes.-Na indstr ia petroqumica, para a separao de fraes da naf ta

petroqumica.

-Em laboratr ios de qumica para purif icao e extrao de compostos

qumicos de interesse, etc.


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Conceitos Fundamentais

Volatilidade

A separao em um processo de desti lao acontece devido

diferena de volati l idade de um componente com relao aooutro presente na mistura.

Geralmente, o componente mais volti l em uma mistura

aquela que em estado puro, e sob condies de temperatura e

presso iguais, possui maiorpresso de vapor, ou seja, temmaior tendncia a evaporar.

O que pode ser

gaseif icado ouvaporizado

Condio ou

qualidade do que : Voltil

Numa mistura, qual substncia volati l iza mais?


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Entendendo a presso de vapor

1) Um tubo fechado em uma dadatemperatura (ex. 20oC) contendo um

medidor de presso (manmetro).

2) Dentro do tubo foi colocado um lquido

e feito vcuo: a presso vai a zero.3) Como existem molculas do lquido que

possuem energia para deixar a fase, h

um aumento contnuo da presso

conforme as molculas saem do lquido

e vo para o gs.4) Quando o equilbrio dinmico

alcanado a presso f ica constante.

EQUILBRIO LQUIDO-VAPOR

Para entender a presso de vapor, vamos imaginar

A presso de equilbr io

naquela temperatura

ser a presso de vapor


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Expl icando a presso de vapor

no nvel molecularAlgumas das molculas na superfcie de um lquido tm

energia suficiente para escaparem da atrao do lquido

volumoso.Essas molculas passam para a fase gasosa se

movimentam nela

medida que aumenta o nmero de molculas na fasegasosa, algumas das molculas atingem a superfcie e

retornam ao lquido.

Aps algum tempo, a presso do gs ser constante e igual

presso de vapor.

Presso de Vapor


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Presso de Vapor

Presso de vapora presso exercida por um vapor quando esteest em equilbr io dinmico com o lquido que lhe deu or igem: a

quantidade de lquido que evapora a mesma que se condensa.

Presso de vaporuma medida da tendncia de evaporao deum lquido. Quanto maior for a sua presso de vapor, mais volti l ser

o lquido, e menor ser sua temperatura de ebulio (ponto de

ebulio) relativamente a outros lquidos com menor presso de vapor

mesma temperatura de referncia.


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Quanto mais alta for a temperatura, mais alta a energia cintica

mdia, mais molculas possuem energia mnima para deixarem o

lquido, mais rapidamente o lquido evaporar.

Quanto mais molculas na fase gasosa maior ser a presso de vapor.

Volati l idade, presso de vapor e

temperatura

Menor temperatura = menor

quantidade de molculas comenergia mnima para evaporar

Maior temperatura = maior

quantidade de molculas com

energia mnima para

evaporar


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A presso de vaporaumenta com a

temperatura devido ao

aumento da energia

cintica mdia dasmolculas.

A temperatura onde a

presso de vapor igual

presso atmosfrica(presso externa: 760

mmHg ou 1 atm) o:

ponto de ebulio

Presso de vapor e temperatura


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A var iao da

presso de vapor

com a temperaturano uma funo

linear devido ao fato

da energia cintica

tambm no selinear com a

temperatura

Curva de presso de vapor vs.

temperatura


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Concluses

Curva de presso de vapor vs.

temperatura

1. O ponto de ebulio a temperatura onde a presso de

vapor igual presso externa ( atmosfrica ou no)2. Para evaporar uma substncia deve-se aumentar a

energia cintica das molculas da substncia (aumentar a

temperatura),E/OU

3. Diminuir a presso externa

4. Em uma dada temperatura, a substncia que apresentar

maior presso de vapor a mais volti l


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Ponto de ebulio e interaes entre

molculas

Mas por qu uma substncia mais volti l que a outra?O qu inf luencia a ebulio?

Evaporar uma substncia impl ica na sua reti rada da fase condensada

(lquida) para a gasosa.

I sso pode ser feito mediante aumento da energia cintica (temperatura)

e/ou ento pela reduo da presso

Ocorre que, dependendo daMASSA MOLAR(peso da molcula) e das

INTERAESque so feitasENTRE AS MOLCULAS(partculas)

na fase lquida, pode ser mais fcil ou di fci l tir-las da fase

condensada.

OCASIONANDO DI FERENTES PONTOS DE EBULIO


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Ponto de ebulio e massa molar

de se esperar que o ponto de ebulio aumente com oaumento da massa molar

exemplo: PE do metano (MM=16 g/mol) aumenta ato

decano (MM=142 g/mol)


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Ponto de ebulio e massa molar

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 25 50 75 100 125 150

Pontod

ee

bulio[

oC]

Massa Molar [g/mol]

Aumento do ponto de ebulio com a aumento da

massa molar dos alcanos de 1 at10 carbonos.


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Ponto de ebulio, massa molar e

interaes intermoleculares

Embora seja esperado aumento no PE com a massa molar,

algumas substncias no apresentam essa uniformidade.

Mas, por qu isso ocorre?

Algumas interaes intermoleculares como:

L igaes de hidrognio,dipolo-dipoloe as

foras de disperso de London.

Impedem esta uniformidade


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Embora seja esperado

aumento no PE com a massa

molar, algumas interaes

intermoleculares (como as

ligaes de hidrognio,

dipolo-dipolo e as foras dedisperso de London) podem

fazer com que isso no

ocorra.


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L igaes de hidrognio

(pontes de hidrognio)

I nteraes dipolo-dipolo


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L igaes de hidrognio(pontes de hidrognio)

I nteraes dipolo-dipolo


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Foras de disperso de London

Um dipolo instantneo pode induzir outro dipolo instantneo em

uma molcula (ou tomo) adjacente.

As foras entre dipolos instantneos so chamadasforas de

disperso de London.


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As foras de disperso de

London so maiores nas

molcula l ineares que nas

esfricas.


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O processo de desti lao

A desti lao processo fsico de separao de misturasNem toda mistura passvel de separao completa por

desti lao

Exemplos de misturas passveis de separao total e parcialpor desti lao

Mistura de um

slido no volti l

com um volti l(sal e gua, por

exemplo.

M istura de dois

lquidos volteiscom pontos de

ebulio bem

distintos (gua e

acetona, por

exemplo)

M istura de dois

lquidos volteis com

pontos de ebulioprximos ou que

formem azetropos,

podem no ser

completamenteseparados


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O processo de desti lao

O que necessrio para se proceder a desti lao?

A desti lao envolve a evaporao de uma substncia

Ento, necessrioevaporara substncia, mas necessriotambm faz-lavoltar ao estado lquidopara recuper-la.

Estes dois processos so de

TROCA DE CALOR

O pr imeiro feito por um

EBUL IDOR ouAQUECEDOR

O segundo feito por um

CONDENSADOR


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Desti lao e a troca de calor

O processo de desti lao envolve tr ocas de calor

Geralmente estas trocas de calor so feitas por :

1) condensadores,

2) Aquecedores e que podem ser:i) Vapor super-aquecido

ii ) Chama (fogo)

iii)Etc.


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Tipos de desti lao

Existem vrias formas de se proceder umadesti lao:

a) Desti lao descontnua ou simples;

b) Desti lao por expanso brusca ou desti lao

em um nico estgio;

c) Desti lao fracionada;

d) Desti lao por arraste a vapor, etc.


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Desti lao descontnua ou simples

efetuada em bateladas (uma desti lao por vez)

A primeira poro do desti lado ser a mais rica em componentes mais

volteis. A medida que prossegue a vapor izao, o produto vapor izadotorna-se mais volti l e o lquido residual torna-se menos volti l, pois o

percentual de componentes leves no lquido residual vai sendo esgotado.

O destilado, que o vapor condensado, poder ser coletado em pores

separadas denominadas de cor tes. Estes podem produzir uma srie de

produtos desti lados com vrios graus de pureza.

Vaso com o lquido

a ser desti lado

Aquecimento (vapor)

Condensador devapores do desti lado

Coletores do

lquido desti lado


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Desti lao simples ou descontnua

Considere uma mistura de trs substncias:

A

Muito volti l e em pequena quantidade,BVolati l idade mdia e em grande quanti dade,

CMuito pouco volti l e em pequena quantidade.

Quando desti lao simples (batelada) for feita

Pr imeiro corte (pequeno) contendo praticamente somente A.

Segundo corte (grande) contendo mui to de B mas contaminado com

pequenas quantidades de A e C

Lquido residual ser ia, praticamente, a substncia C pura (terceiro

corte), pequeno.


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Balano mater ial e energtico

Neste tipo de desti lao o balano mater ial eenergtico difci l ser feito porque continuamente a

temperatura e a composio se al tera durante o

processo de desti lao.

Exemplo: Uma mistura de gua e lcool cujo ponto de ebulio

de 85oC . A temperatura no vaso de 85oC, mas conforme

extrado o lcool da mistura o PE aumenta porque menos lcool

sobra e o PE tende ao ponto de ebulio da gua pura (100oC). A

quantidade de lcool reti rado no nica: no incio reti rado

mais lcool e menos gua e a quantidade de lcool vai

diminuindo e de gua aumentando.

claro que no f inal a massa restante no vaso somada massa

obtida na desti lao

E l


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Exemplo

I NCIO20% gua e 80%

lcool, P.E.=85oC.

APS TEMPO t

40% gua e 60%

lcool, P.E.=90oC.

PRXIMO DO FINAL

90% gua e 10% lcool ,

P.E.=96oC.

Obs. A massa que

sobra no vasosomada quela do

desti lado a massa

inical alimentada no

vaso.


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Exerccio

Em um vaso para desti lao foi colocado 100 kg de uma misturagua e etanol. Nesta mistura inicial, a percentagem mssica era de

10% de gua. No incio da desti lao o ponto de ebulio mostr ou

ser de 80oC e aps 20 minutos de desti lao o PE da mistura no

vaso mostrou ser de 95o

C e a massa coletada na condensao erade 80 kg onde continha a percentagem mssica de 96% em etanol.

1) Calcular as massa de gua e lcool e as percentagens mssicas

conti das no vaso e no coletor de desti lado no incio e aps 20

minutos de desti lao.2) Sabendo que a massa molar da gua de 18 g/mol e de etanol

de 46 g/mol. Determinar os nmeros de mols e fraes molares

da gua e etanol no incio e aps 20 minutos de desti lao.

Exerccio


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Exerccio

Com uma mistura de 10% em massa de hexano (Hex), cujo PE quando

puro 68oC, e decano (Dec), com PE 174oC quando puro, al imentado um vaso de desti lao.

Analise como falso (F ) ou verdeira (V), as afirmaes abaixo:

a) No incio da desti lao, o ponto de ebulio da mistura deve estar

mais prxima a 68oC do que a 174oC.

b) Conforme a desti lao procede a temperatura de ebulio da

mistura dentro do vaso deve diminuir.

c) A 25 oC o hexano possui presso de vapor maior que o decano.

d) Na temperatura de 68oC a presso de vapor do hexano igual

presso atmosfrica.e) Conforme a desti lao procede, no vaso de desti lao aumenta a

percentagem mssica de decano e diminui a de hexano.

f) No incio da desti lao, se fosse medida a temperatura da primeira

frao de lquido no condensador a temperatura ser ia prxima oui ual a 174oC.


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Exerccio

Em um processo de produo de gua ardente de cana, uma

desti lador por bateladas opera inicialmente com uma carga em mol de

3,5% de etanol e o restante s de gua.

Aps certo tempo, a operao cessada e o desti lado recolhidocontm 20% de etanol , em mol .

Os percentuais esto representados em mol (frao molar percentual).

Determine:

a) A composio percentual mssica da carga;b) A composio percentual mssica do desti lado.


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Desti lao por Expanso Brusca ou

Desti lao em um nico Estgio

O processo de desti lao por expanso brusca umaoperao em um nico estgio, no qual uma mistura

lquida parcialmente vapor izada.

As fases lquido e vapor resultantes deste processo soseparadas e removidas da coluna.

O vapor ser muito mais r ico na substncia mais volti l

do que na carga original ou no lquido residual .

Obs. Operao muito uti l izada na pr imeira fase do

fracionamento do petrleo em uma ref inar ia, pois este

processo reduz o tamanho da torre de fracionamento

atmosfrico.


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Desti lao por Expanso Brusca

Balano de massa e energtico

Esquema da desti lao por expanso

brusca:

Fvazo mssica da alimentao (carga)

Dvazo mssica do vapor (desti lado).

W

vazo mssica do lquido (resduo).

qAcalor cedido ao sistema pelo

aquecedor

qF

calor da cargaqDcalor do vapor

qWcalor do lquido


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Desti lao por Expanso Brusca

Balano de massa e energtico

Balano de massa: Segundo o pr incpio geral da

conservao da matria, o balano material para este

processo pode ser escrito da seguinte forma:

F = D + WBalano Trmico: De acordo com o pr incpio da

conservao de energia, o balano energtico para

este processo pode ser escri to da seguinte forma:

Calor que entra no sistema = Calor que sai do sistema

qF+ qA = qD+ qW


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